山西采煤涌水和煤層氣抽取排水處理對策研究*

(山西省水利水電科學研究院，山西 太原 030002)

山西省地處華北地區(qū)西部，總面積為156271km2，其中黃河流域97138 km2，占全省總面積的62.2%；海河流域面積為59133 km2，占全省總面積的37.8%。山西省煤炭資源分布廣、儲量大，含煤面積6.2萬km2，2000m以淺煤炭預測資源儲量6652億t，探明保有資源儲量2674.3億t，約占全國的1/4，2015年全省煤礦生產能力14.6億t/a，其中實際產量9.75億t。煤層氣資源總量83097.86億m3，約占全國煤層氣資源總量的1/3，2015年地面煤層氣抽采量41.77億m3，煤礦井下瓦斯抽采量60.2億m3，分別占全國的96.07%和41.65%。煤礦開采和煤層氣的抽取，對受益區(qū)的經濟具有非常重要的貢獻作用，但也造成了不可忽略的負面影響，特別對相關區(qū)域的水生態(tài)環(huán)境造成嚴重的影響和破壞，主要表現(xiàn)為水資源量的減少和水質的污染。

山西省水資源較少，全省60%的地區(qū)缺少灌溉水源及飲用水源。多年來，煤炭開采產生的礦井水利用率不高。污染過的礦井水若不經處理直接排放，不僅會造成水資源的大量浪費，也會對區(qū)域水生態(tài)環(huán)境造成不利影響。為消減礦井水及煤氣層排水對水環(huán)境的負荷，將該資源開發(fā)成可利用的資源已成為國內外學者研究的熱點問題，取得了許多理論及實踐成果。國外對礦井水的利用研究較早，美國對礦井水的利用率已達81%，俄羅斯更是高達90%[1]。一部分礦井水經處理后進行了達標排放，另一部分主要用于煤礦的生產和生活用水[2]。與國外的研究相比，我國對該資源的處理及回用的研究起步較晚[3]，對礦井水的利用率還很低，平均僅為22%。但部分區(qū)域礦井水利用技術也有較大的提高，如山西晉城、陽泉等地，對礦井水的利用已達到70%左右，平頂山礦務局的利用率也已達70%以上[4]。

隨著對水資源的需求越來越多且人們對環(huán)境保護意識的不斷提高，礦井水的資源化利用將成為未來很長一段時間的研究重點之一。因此，本文通過詳細的調查研究，以山西省采煤礦井水及煤層排水為例，對礦井水的綜合利用提出科學合理的對策，對于保障區(qū)域生活、生產和生態(tài)用水需求，加強水資源的合理配置、全面節(jié)約和有效保護，促進水生態(tài)文明建設和經濟社會的可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。

1 采煤礦井水成因和煤層氣排水原因

山西省煤(氣)層主要賦存在山西組和太原組地層中，煤(氣)層、含水層、隔水層均為交互相沉積，煤(氣)層夾于含水層中，其頂?shù)装寰泻畬雍透羲畬?，所以?氣)層開采時，在采區(qū)范圍內，含水層會受到影響，地下水天然條件下的補、徑、排關系也會發(fā)生變化。

1.1 采煤礦井涌水成因

山西省自北向南分布有大同、寧武、西山、河東、沁水、霍西6大煤田和渾源、繁峙、五臺、垣曲、平陸5個煤產地，煤系含水層中地下水的補給、徑流、排泄關系，在煤礦開采前后各有不同，在采區(qū)范圍內會發(fā)生變化。

礦井水是指在礦產資源開采過程中從巖層中涌出的水[5]。當一個煤層開采后，其上部巖層移動時，如果裂隙帶達到地表，就會使地表水與井下連通。如果裂隙帶達不到地表，但達到了煤系地層中某一含水層，就會使該含水層破壞，改變其徑流特征，使含水層中的水漏入井下，形成礦井水。礦井水本來是清潔的水，但由于生產污染，礦井水變得色澤渾濁、懸浮物含量高、沉積物量大，如果未經處理排放則會對河流造成嚴重的污染。

1.2 煤層氣抽取排水原因

山西煤層氣主要分布在沁水聚氣盆地和河東聚氣盆地，地下水的強徑流帶煤層氣含量低，緩流帶或滯流區(qū)煤層含氣量高，因此一般在地下水緩流帶或滯留區(qū)抽取[6]。煤層氣地面抽取先決條件是降壓解吸，煤層氣開采工藝主要為排水—降壓—采氣，因此在抽取煤層氣過程中會排出大量的地下水，造成地下水的極大浪費，另外煤層氣富集的含水層屬于地下水滯留區(qū)，水質本底污染加上添加化學材料，水質極差。

2 煤礦開采礦井水和煤層氣抽取排水的水量水質現(xiàn)狀

山西省6大煤田和2大煤層氣富集盆地，由于不同產地的煤層地質、水文地質等基本條件不同，其開采產生的礦井涌水和抽取煤層氣產生的排水的水量和水質也有差異。

2.1 煤礦開采現(xiàn)狀礦井水涌水量和煤層氣排水量

2015年山西省煤礦生產總量9.75億t，礦井涌水量40200萬m3。煤礦自身回用礦井水水量14859m3，噸煤礦坑水回用量0.15m3/t，煤礦之外利用礦井水水量8722萬m3，礦坑水總回用率58.66%，山西省現(xiàn)狀煤礦開采礦井水回用率不高，仍有繼續(xù)回收利用的潛力[7]。

2015年全省地面煤層氣抽采量417700萬m3，全省地面抽取煤層氣年排水量約為17125.7萬m3，平均單位產氣排水量為0.041m3/m3。

2.2 煤礦開采礦井水水質和煤層氣抽取排水水質

山西煤礦排出的礦井水按其水質可分為4類：潔凈礦井水、含懸浮物礦井水、高礦化度礦井水和酸性礦井水。山西省礦井水監(jiān)測結果表明，礦化度由北到南由大變小，補給區(qū)小于徑流區(qū)，山區(qū)小于平原區(qū)。按照《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)進行評價，山西省煤礦排放的礦井水大部分已被污染，礦井水中的主要污染物SS(懸浮物)和礦化度嚴重超標，其超標率自北向南由大到小，呈有規(guī)律的變化。

山西省煤層氣開采煤層屬深埋藏煤層，煤層含水層水質較差，屬原生污染嚴重的地下水含水層。煤層氣井排出水水質指標中氟化物超標情況最為突出，其次為氨氮、亞硝酸鹽、氯化物、溶解性總固體等。

3 煤礦礦井水和煤層氣排水回用及處理方面存在的問題

山西煤礦開采分露天開采和井工開采(帶壓開采和不帶壓開采)，山西在保德和晉城等局部地區(qū)有大量的煤層氣開采。煤礦礦井水回收利用方面的問題主要表現(xiàn)為：排水利用率不高，水質處理不達標排放造成污染等；煤層氣抽取排水存在著不經處理直接排放污染地表、地下水體的問題；另外有一些閉坑后酸度極高的“老窯水”不斷滲出，污染地表、地下水體。

3.1 露天煤礦開采排水存在的問題

在山西朔州有大量的露天煤礦開采，開采過程中煤層以上覆蓋層全部剝離，地表水和孔隙水均不復存在；二疊系下石盒子組、石炭系山西組、石炭系太原組砂巖裂隙水隨著采煤深度的增加而增加，采取周邊裂隙水以泉水的形式排泄至采區(qū)后逐步疏干；煤層高程高于奧陶巖溶水水位，則不觸及巖溶含水層，但是若有構造帶存在，則對巖溶含水層也會有相應影響。

露天煤礦產生的礦坑水除生產利用外，其余全部提水到地面收集池，經簡單處理后排入河道，造成河流或地下水污染。

3.2 井工煤礦開采礦井水存在的問題

采煤形成一定規(guī)模的采空區(qū)后，上覆巖層應力平衡狀態(tài)被打破，導通了所達到的上覆各含水層，就會形成地下水導水通道，在地下水采煤影響范圍內，導水裂隙帶導通的各含水層地下水漏入井下，形成礦井水；當采煤深度位于巖溶地下水位之下帶壓開采時，底板有效隔水層厚度小于破壞厚度時，如果地下水位高于煤層底板，則會發(fā)生礦井突水，不僅威脅安全生產，且造成水資源破壞，形成大量的疏降排水。

山西井工采煤的礦井水首先用于井下生產用水，但全省平均自身噸煤礦坑水回用量僅0.15m3/t，可以推測生產用水存在新鮮水代替礦坑水的現(xiàn)象(山西省煤礦生產用水定額為0.25m3/t)，另外存在多余礦坑水不達標排放的現(xiàn)象。

3.3 煤礦停采后“老窯水”存在的問題

煤礦停產閉坑后，循環(huán)于地下含水層與煤礦坑道系統(tǒng)中的“老窯水”蓄積于采空區(qū)，隨著壓力的加大，會逐漸在部分區(qū)域出露，流入河流或者深入地下含水層。例如：作為全國重要飲用水水源地的娘子關泉水，其總硬度和硫酸根超標現(xiàn)象越來越嚴重，就是由于大量“老窯水”涌出地表并進入下游碳酸鹽巖區(qū)后滲漏污染所致。

“老窯水”的污染問題是難以控制、難以治理的極大難題。

3.4 煤層氣開采排水存在的問題

煤層氣開采井分羽狀分布、叢式分布等，隨著開采進程的推進，產生的排水包括：在鉆井過程中打穿了煤層以上所有含水層，造成下游的小泉、小水流量減少，乃至干枯；固井過程中含水層止水材料和工藝的不規(guī)范造成淺層地下水不斷向下漏失；采氣過程中提前抽排原煤裂隙中的水，造成煤層以上地下水下滲量增大等。

煤層氣開采過程中的鉆井施工廢水、添加一定含量的氯化鉀等化學添加劑的壓裂水、煤層氣開采井排出的地下水等，若不加以處理回用或回灌，將對周邊地表河流和地下含水層造成不利影響。

4 山西采煤礦井水資源化和煤層氣排水處理對策

4.1 2020年煤礦生產及礦井排水量預測

2020年，全省煤炭設計規(guī)模維持在12.3億t，產量預計10億t左右，礦井水排放量預計達到41201m3/a，全省礦井水處理后利用率應達到70%以上，山西省2020年各市礦井排水量、利用量及回用率見下表。通過多種措施增加礦坑水的回用量，2020年能回用礦井水28862萬m3，從而減少相應數(shù)量自來水的使用，達到節(jié)水減污效果。

山西省“十三五”期間，建設沁水、河東2大煤層氣基地，推進河曲-保德、臨縣-興縣、三交-柳林、永和-大寧-吉縣、沁南-沁北、三交-柳林等6個煤層氣片區(qū)勘探開發(fā)，到2020年，全省煤層氣總產能力爭達到400億m3，按現(xiàn)狀平均單位產氣排水量為0.041m3/m3，抽取煤層氣排水將達到164002萬m3，若不采取妥善的處理措施，其影響程度將高于煤礦開采對水生態(tài)環(huán)境造成的破壞，因此必須高度重視對煤層氣抽取產生排水的處理問題。

山西省2020年各市礦井排水量、利用量及回用率

4.2 礦井水資源化和煤層氣抽取排水處理對策

煤礦開采產生的礦井水首先回用于煤礦本身，多余礦井水可經過不同方式的處理后利用于煤礦外企業(yè)工藝、農業(yè)灌溉、河湖景觀生態(tài)用水和生活用水等[8]，若仍有多余并且水功能區(qū)允許設排污口，則根據《山西省節(jié)約用水條例》要求，達到地表水Ⅲ類標準排放。

煤層氣抽取產生的排水必須處理后回灌地下同一含水層，若有多余也根據《山西省節(jié)約用水條例》要求，達到地表水Ⅲ類標準排放。

4.2.1 露天煤礦礦井水利用處理對策

對于露天煤礦，開采過程中，剝離的含水層設置排水收集池，首先用于開采工作層生產用水，若有多余排水，集中提水到地面，經過蓄水池收集和處理后，應按接納河道水功能區(qū)的要求，遵照《山西省節(jié)約用水條例》，達到地表水Ⅲ類水方可排放。

4.2.2 井工煤礦礦井水

不同煤礦礦井水水質和排放量差異較大，回用措施應采用因地制宜、分類實施。優(yōu)先保證礦區(qū)內用水，尤其要做到先井下后井上，先礦內后礦外，先生產后生活。

a.礦區(qū)內綜合利用。首先用于礦井開采及原煤洗選用水。礦井開采包括開拓、掘進、采煤、轉載、煤壁注水和個別煤礦的黃泥灌漿等多項用水，這些生產用水對水質沒有什么特殊要求，只需經簡單的物理處理后即可利用。但對于煤炭企業(yè)壓風機、綜采機、鉆機等動力機械及輔助設備間接冷卻用水，應嚴格控制回用水水質，以防止因腐蝕而造成的設備損壞。

礦井水若有富余，可用于礦區(qū)公共生活用水，比如沖洗車輛、綠化、消防和礦井生活雜用水，根據水質要求不同進行不同方式的處理，采用“中水道”分質供水。

b.礦區(qū)附近企業(yè)用水。多余礦井水，可供給礦區(qū)附近企業(yè)的生產用水，比如焦化廠、建材廠等，不同用水戶對水質的要求不同，進行相應不同深度的處理水質達標后利用，取用礦井水企業(yè)根據本企業(yè)的供排水狀況，聯(lián)通附近煤礦企業(yè)礦井水供水管道，興建備用供水系統(tǒng)。

c.礦井水用于景觀和農業(yè)用水。礦井水可作為農業(yè)灌溉、林牧漁業(yè)的供水水源，充分利用廢舊礦井回灌和儲存礦井水，通過蓄水池調蓄礦井水，經過適當處理后用于灌溉。

晉城市實施的典型模式“一礦一池一園區(qū)”，成為全國節(jié)水型社會試點建設的一大亮點。

d.礦井水用于改善生態(tài)環(huán)境。煤礦廢水可供河道外生態(tài)景觀用水，在礦坑口建封閉式調節(jié)水池，將存水輸送到周邊旅游景點，可作為花園灌溉用水、沖洗車輛、道路噴灑或消防用水等，改善旅游景點的生態(tài)環(huán)境。

e.優(yōu)良水質的礦井水用于生活用水。 對于部分礦井，潔凈礦井水大多是從煤系中石灰?guī)r或煤系下伏奧陶系石灰?guī)r中涌出的水，水質一般較好，只要在井下實行清濁分流，不與含煤巖粉的濁水混合，在源頭妥善截流，通過井下單獨布設的排水管道將其排出，經處理后可作為生活飲用水。

4.2.3 煤層氣開采排水處理

優(yōu)化布井，避開構造帶、河流、水源地和泉域重點保護區(qū)，固井返漿至孔口，鉆井泥漿采用無毒無害材料，抽氣前的排水必須經收集處理后回灌到含水層，鉆井壓裂用水等生產廢水處理后回用。

4.2.4 閉坑后“老窯水”處理對策

4.2.5 煤礦開采礦坑水資源化和煤層氣抽取排水處理的其他措施

a.煤礦開采和天然氣抽取須遵守相關法律、法規(guī)和標準。遵守《中華人民共和國水法》《中華人民共和國水污染防治法》《水污染防治行動計劃》《取水許可和水資源費征收和管理條例》《建設項目水資源論證管理辦法》《山西省水資源管理條例》《山西省節(jié)約用水條例》《山西省泉域水資源保護條例》等。

b.對煤礦開采和煤層氣抽取，依據《采礦業(yè)水資源論證導則》進行水資源論證，嚴格履行取水許可手續(xù)。取水量在區(qū)域最嚴格水資源管理“三條紅線”總量控制范圍內，符合區(qū)域水資源優(yōu)化配置原則，生產取水首先取自煤礦自身的礦井水，補充生產取水優(yōu)先使用非傳統(tǒng)水源和地表水，實施關井壓采行動，取水指標符合《山西省用水定額》。若煤礦自身和外界回用后，仍有多余礦井水排放，應根據水功能區(qū)的劃分要求履行設排污口手續(xù)，并依據《山西省節(jié)約用水條例》達到地表水Ⅲ類標準方可排放，工業(yè)場地生產廢水和生活污水必須處理后回用，不得外排。

c.開展煤礦開采及煤層氣抽取對巖溶大泉、重要飲用水水源地和重點河流的環(huán)境影響評價工作，以避免不當開采而破壞含水層，造成水資源的大量漏失和水環(huán)境污染。泉域重點保護區(qū)禁止煤礦開采，重要飲用水水源地、水利工程和河流，按其保護有關規(guī)定留設保安煤柱，不能越界開采。對于帶壓開采的煤礦，突水系數(shù)大于0.1MPa/s的區(qū)域禁止開采，突水系數(shù)0.06～0.1MPa/s的區(qū)域暫緩開采，探明構造再決定是否開采。帶壓開采禁止疏水降壓，無壓開采禁止利用滲坑滲井向下回灌污染后未經處理的礦坑水。

d.嚴格采煤和抽取煤層氣工藝各環(huán)節(jié)取水和排水的計量，并按計量上繳水資源稅。根據山西省人民政府印發(fā)的《山西省水資源稅改革試點實施辦法》規(guī)定，煤礦開采水資源稅根據疏干排水量征收，若沒有排水計量，則按噸產品排水2.48m3折算排水量征收水資源稅。

e.采煤企業(yè)和煤層氣抽取企業(yè)建設一定容量的取水調蓄池和取水水質處理設施，以保障穩(wěn)定的、水質符合要求的生活、生產供水。建設一定容量的廢污水處理設施，工業(yè)場地的生活污水和生產廢水必須處理后全部回用，建設事故污廢水收集池，并制定突水和水污染事件應急預案。煤礦開采和煤層氣抽取過程中，接受當?shù)厮Y源及環(huán)境部門監(jiān)督。

f.樹立全民節(jié)水意識，實施計劃用水，履行考核制度。加強節(jié)約用水補償獎勵制度研究，加強采煤礦井水資源化課題的進一步研究，加強煤層氣抽取排水處理對策課題的深入研究，加強煤礦閉坑后“老窯水”處理對策的研究，積極實施礦坑水資源化和煤層氣抽取排水處理先進技術和典型經驗的示范推廣工作。

5 結 語

山西省是國內煤炭和煤層氣生產的大省之一，采煤和抽取煤層氣形成了大量的排水，存在礦井水利用率不高和造成河湖及地下水水體污染的現(xiàn)狀問題。文中對礦井水用于礦井本身、礦井外企業(yè)、農業(yè)灌溉、生態(tài)用水和生活用水等方面的對策進行了分析研究，同時明確多余礦井水和抽取煤層氣的排水按水功能區(qū)要求，依照《山西省節(jié)約用水條例》達到地表水Ⅲ類標準方可排放。該研究提出的對策，可為煤礦開采及煤層氣抽取過程中對水資源的保護與利用提供科學依據，對于推動水資源節(jié)約和水生態(tài)文明建設具有積極的作用。